ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
LÊ SƠN HÀ N
GHIÊN
CỨU
CÔNG NGHỆ WIMAX
VÀ KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI TẠI
VIỆT NAM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội – 2008
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
- 1 -
Luận văn tốt nghiệp cao học Lê Sơn Hà
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 4
DANH MỤC HÌNH 6
MỞ ĐẦU 7
MỞ ĐẦU 7
CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WIMAX 10
I.1. Giới thiệu chung 10
I.2. Tình hình chuẩn hóa cho hệ thống WiMAX 13
I.3. Kiến trúc mạng không dây băng thông rộng WiMAX 16
I.3.1 Mục tiêu của công nghệ WiMAX 17
I.3.2 Cơ chế hoạt động của WiMAX 19
I.3.3 Mô hình ứng dụng WiMAX 21
I.3.3.1 Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) 22
I.3.3.2 Mô hình ứng dụng WiMAX di động 23
I.3.4 Các chuẩn của WiMAX 23
I.3.4.1 Tiêu chuẩn 802.16- 2004 24
I.3.4.2 Tiêu chuẩn 802.16e 24
I.3.5 Băng tần dành cho WiMAX 24
CHƢƠNG II: GIỚI THIỆU VỂ CHUẨN WIMAX 43
II.1 Mở đầu 43
II.2. Sự phát triển của tiêu chuẩn 802.16 44
II.2.1 Tiêu chuẩn 802.16-2001 44
II.2.2 Tiêu chuẩn 802.16c-2002. 45
II.2.3 Tiêu chuẩn 802.16a-2003 45
II.2.4 Tiêu chuẩn 802.16- 2004 46
II.2.5 Tiêu chuẩn 802.16e và phạm vi mở rộng của nó . 46
II.3 Các phân lớp giao thức trong phạm vi tiêu chuẩn IEEE 802.16 46
II.4 Lớp vật lý (PHY) 48
II.4.1 Các hệ thống dải tần số 10-66 GHz 48
II.4.2 Các hệ thống dải tần số 2-11 GHz 49
II.4.3 Quá trình kiểm soát lỗi. 50
II.4.3.1 Phương pháp hiệu chỉnh lỗi tiếp tới. 50
II.4.3.2 Phương pháp yêu cầu tái truyền tải tự động 51
II.4.4 Quá trình định khung (Framing). 51
II.4.4.1 Khung phụ đường xuống 51
II.4.5 Phân lớp phụ hội tụ truyền tải (TC) 56
II.5 Phân lớp kiểm soát truy nhập môi trƣờng truyền thông (MAC) 57
II.5.1 Sự định hướng kết nối . 57
II.5.2 Dữ liệu MAC PDU 58
II.5.2.1 Mô tả PDU 59
II.5.2.2 Cấu trúc của MAC PDU 59
II.5.3 Các phân lớp phụ 61
II.5.3.1 Phân lớp phụ hội tụ (CS) 61
II.5.3.2 Phân lớp phụ có phần chung với phân lớp MAC (MAC CPS) 62
II.5.3.3 Phân lớp phụ thuộc tính riêng. 63 III.2 Tình hình triển khai công nghệ WiMAX ở một số nƣớc trên thế giới 77
III.3 Triển khai công nghệ WiMAX ở Việt Nam 78
III.4 Thiết bị BreezeMAX của hãng Alvarion 91
III.4.1 Giới thiệu 91
CÁC ĐẶC ĐIỂM NỔI BẬT VÀ CẢI TIẾN CỦA SẢN PHẨM 91
III.4.2. Các thành phần hệ thống 93
III.4.3 Các thành phần thiết bị trạm gốc 95
III.4.4. Đặc tính kĩ thuật 96
III.4.5 Thiết bị khách hàng CPE: 99
KẾT LUẬN 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO 105
- 4 -
Luận văn tốt nghiệp cao học Lê Sơn Hà
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AES
Forward Error Correction
GFR
Guaranteed Frame Rate
GPC
Grant Per Connection
GPSS
Grant Per Subscriber Station
IE
Information Element
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP
Internet Protocol
LAN
Local Area Network
LOS
Line of Sight
MAC
Medium Access Control
NLOS
Non-Line of Sight
OFDM
Orthogonal frequency-division multiplexing
OFDMA
Orthogonal frequency-division multiplexing access
OSI
Open Systems Interconnect
PDU
Protocol Data Units
PHY
RLC
Radio Link Controller
RNG-REQ
Ranging Request
RNG-RSP
Ranging Response
SA
Security Association
SDU
Service Data Unit
SOHO
Small Office / Home Office
SS
Subscriber Station
TC
Transmission Convergence
TDMA
Time Division Multiple Access
TDD
Time Division Duplexing
TDM
Time Division Multiplexing
UCD
Uplink Channel Descriptor
UDP
User Datagram Protocol
UIUC
Uplink Interval Usage Code
UL-MAP
Uplink Map
Hình I.6: Mô hình hoạt động của WiMAX 20
Hình I.7: Mô hình ứng dụng mạng WiMAX cố định 22
Hình I.8: Mô hình ứng dụng mạng WiMAX di động 23
Hình I.9: Các bước thực hiện OFDMA trên máy phát. 29
Hình I.10: Mô hình ứng dụng của dịch vụ Wimax. 31
Hình I.10: Ứng dụng cung cấp dịnh vụ không dây. 32
Hình I.12: Ứng dụng mạng Ngân hàng. 33
Hình I.13: Ứng dụng mạng Giáo dục. 34
Hình I.14: Ứng dụng cho An toàn công cộng. 35
Hình 1.15: Ứng dụng cho liên lạc ngoài khơi. 36
Hình 1.16: Ứng dụng cho xây dựng liên lạc tạm thời. 37
Hình 1.17: Ứng dụng cho kết nối nông thôn. 40
Hình II.1: Phân lớp giao thức trong tiêu chuẩn 802.16 47
Hình II.2: Cấu trúc khung phụ đường xuống TDD 52
Hình II.3: Cấu trúc khung phụ đường xuống 55
Hình II.4 : Cấu trúc khung phụ đường lên 55
Hình II.5: Sự định dạng TC PDU 57
Hình II.6: PDU và SDU trong ngăn xếp giao thức 59
Hình II.7: Quá trình xây dựng cấu trúc của MAC PDU 60
Hình II.8: Trình bày phân loại và trình tự ánh xạ giữa trạm BS và SS. 63
Hình II.9: Tổng quan quá trình khởi tạo trạm thuê bao. 64
Hình III.1: Mô hình triển khai WiMAX 77
Hình III.2 Mô hình triển khai trong thành phố 86
Hình III.3: Mô hình phủ sóng của nhà cung cấp dịch vụ 89 - 7 -
Luận văn tốt nghiệp cao học Lê Sơn Hà
hoàn thiện, WiMax hứa hẹn đáp ứng nhiều loại hình ứng dụng băng rộng tốc độ
cao cùng thời điểm với khoảng cách xa hơn, cho phép nhà khai thác hội tụ nhiều - 8 -
Luận văn tốt nghiệp cao học Lê Sơn Hà
loại hình dịch vụ trên nền mạng IP để mang đến cho khách hàng sự lựa chọn đa
dạng các dịch vụ dữ liệu, thoại và video.
Hiện nay công nghệ WiMax đang trong giai đoạn triển khai thử nghiệm và
bắt đầu chuẩn bị cho giai đoạn kinh doanh chính thức ở Việt Nam, đây là công
nghệ mới đang thu hút sự quan tâm của những người công tác trong lĩnh vực
viễn thông và công nghệ thông tin nước ta.
Đứng trước xu thế phát triển đó, học viên đã lựa chọn đề tài nghiên cứu về
công nghệ WiMAX và khả năng triển khai tại Việt Nam, nhằm chuẩn bị những
kiến thức cần thiết, làm chủ công nghệ để có thể sẵn sàng đáp ứng yêu cầu mới
Mục đích của đề tài:
Nghiên cứu về mạng không dây băng thông rộng sử dụng công nghệ
WiMAX để tìm hiểu một công nghệ mạng mới chuẩn bị triển khai đưa
vào khai thác tại Việt nam.
Luận văn gồm 3 chương
Chƣơng 1: Giới thiệu công nghệ WiMAX
Chương này giới thiệu về mạng WiMAX, kiến trúc, mô hình hoạt động, băng
tần sử dụng cũng như dịch vụ của WiMAX. Chương này cũng trình bày về sự
hướng dẫn, cho tôi những định hướng và chỉ bảo vô cùng quan trọng, tôi cũng
xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh chị ở công ty FPT telecom, Công ty
truyền dẫn Viettel và Viện khoa học Bưu điện đã giúp đỡ và cung cấp cho tôi
những kết quả, tài liệu quý giá
- 10 -
Luận văn tốt nghiệp cao học Lê Sơn Hà
CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WIMAX
I.1. Giới thiệu chung
WiMAX viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access là
tiêu chuẩn giao diện vô tuyến IEEE 802.16 WMAN (Wireless
Metropolitan Area Network). Phiên bản tiêu chuẩn 802.16 ban đầu áp dụng
cho các ứng dụng trong băng tần được cấp phép trong dải tần từ 10 đến 66
GHz, yêu cầu có các trạm phát trong tầm nhìn thẳng. Sau này tiêu chuẩn
giao diện vô tuyến 802.16 được mở rộng cho các ứng dụng tầm nhìn hạn
Hình I.1 Mô hình một hệ thống WiMAX
Hệ thống MAN vô tuyến dựa trên tiêu chuẩn giao diện vô tuyến được cấu
hình gần giống với cấu hình của mạng tế bào truyền thống. Các trạm gốc
đặt tại các vị trí phù hợp để triển khai cấu trúc điểm-đa điểm để phân phát
các dịch vụ với bán kính phủ sóng có thể lên đến vài km phụ thuộc vào tần
số, công suất phát và độ nhạy phía thu. Trong những khu vực có mật độ cao
phạm vi phủ sóng có thể được giới hạn hẹp hơn. Các trạm gốc thường được
kết nối với mạng lõi bằng hệ thống cáp quang hoặc kết hợp các tuyến vi
ba điểm-điểm kết nối với các nút quang hoặc thông qua các đường leased
line. Phạm vi phủ sóng và khả năng truyền trong môi trường tầm nhìn hạn
chế NLOS của WiMAX đã tạo ra một công nghệ hiệu quả về mặt kinh tế
hấp dẫn về mặt dịch vụ. Công nghệ này có thể cung cấp các dịch vụ truy
nhập băng rộng tại mọi nơi trong mạng MAN với đặc tính và chất lượng
dịch vụ thậm trí còn tốt hơn các hệ thóng DSL, cáp hay T1/E1 leased
line truyền thống.
WiMAX di động (Mobile WiMAX) là giải pháp không dây băng rộng - 12 -
Luận văn tốt nghiệp cao học Lê Sơn Hà
- 13 -
Luận văn tốt nghiệp cao học Lê Sơn Hà
triển những chỉ tiêu ở lớp mạng cho hệ thống WiMAX di động dựa trên
tiêu chuẩn IEEE 802.16 nhằm đơn giản hoá các chỉ tiêu giao diện vô
tuyến. Sự kết hợp giữa IEEE 802.16 và WiMAX Forum đã tạo ra một
giải pháp mạng tổng thể end-to-end cho mạng WiMAX di động.
I.2.
Tì
nh
hì
nh
c
huẩn hóa cho h
ệ
thống WiMAX
Ủy ban tiêu chuẩn LAN/MAN IEEE 802 bao gồm 06 nhóm chính với
các bộ tiêu chuẩn tương ứng:
- IEEE 802.11: WLAN - Local
- IEEE 802.15: WPAN - Personal
- IEEE 802.16: WMAN - Metropolitan
- IEEE802.20: Wireless Mobility
Nhóm tiêu chuẩn IEEE 802.16 lần đầu tiên được thành lập vào những
năm 1990, với nhiệm vụ là phát triển công nghệ truy nhập vô tuyến băng
rộng hoạt động trên băng tần 10-66 GHz. Sau khi xem xét, nhóm tiêu
chuẩn này được chia thành hai nhánh, trong đó nhóm IEEE 802.16
tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong dải tần 10- 66GHz, trong khi
một nhóm mới có tên là 802.16a nghiên cứu và phát triển tiêu chuẩn
trong dài tần 2-11GHz. Tuy nhiên, do không có các tiêu chuẩn ngoại vi,
nên cả hai tiêu chuẩn này không được thương mại hóa thành công.
Trên cơ sở tiêu chuẩn 802.16a, hai tiêu chuẩn 802.16d (hay 802.16-2004)
và 802.16e lần lượt được ra mắt vào năm 2004 và 2005. Phạm vi áp
dụng của những tiêu chuẩn này rất rộng nhưng tập trung chủ yếu vào
các lớp 1 và 2. Không giống như các tiêu chuẩn 3GPP và 3GPP2 cho
các mạng di dộng 3G, các giao diện và cấu trúc mạng không được quy
định trong tiêu chuẩn 802.16d và 802.16e.
WiMAX là một khái niệm được đánh đồng với tiêu chuẩn IEEE 802.16,
và hiện nay được coi là một dịch vụ vô tuyến băng rộng được công
nhận rộng rãi trên toàn thế
giới.
- 15 -
Luận văn tốt nghiệp cao học Lê Sơn Hà - 16 -
Luận văn tốt nghiệp cao học Lê Sơn Hà
Hỗ trợ truy nhập không dây cố định và lưu động (thiết bị đầu cuối
như laptop, PDA có thể di chuyển vị trí nhưng cố định khi kết nối).
Độ rộng băng tần có thể lựa chọn từ 1,25 đến 20 MHz
Tốc độ dữ liệu tối đa 75Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz
Kỹ thuật điều chế thích ứng từ BPSK/QPSK đến 64QAM
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang FFT 256-OFDM (256 sóng mang
phụ)
Cấu hình mạng điểm-đa điểm PMP và mạng mắt lưới MESH
Hỗ trợ QoS
Hỗ trợ QoS
I.3. Kiến trúc mạng không dây băng thông rộng WiMAX
WiMAX là công nghệ không dây băng thông rộng có được sự hỗ trợ phổ
biến của ngành công nghiệp điện tử và máy tính trên thế giới, tạo nên một công - 17 -
Luận văn tốt nghiệp cao học Lê Sơn Hà
nghệ đặc biệt ảnh hưởng đến giá cả. Nó được xây dựng để chuyển giao lợi ích
kinh doanh hiệu quả tới người khai thác và người sử dụng trong các môi trường
thay đổi khác nhau. Trong phần này trình bày mục tiêu, cơ chế hoạt động, mô
hình ứng dụng và các đặc tính kỹ thuật của WiMAX.
I.3.1 Mục tiêu của công nghệ WiMAX
Công nghệ WiMAX được phát triển với nhiều mục tiêu, có thể tóm lược
như sau:
- Kiến trúc mềm dẻo (Flexible Architecture): WiMAX hỗ trợ một số kiểu
cấu trúc hệ thống, bao gồm: Điểm - điểm, điểm - đa điểm và bao phủ
khắp nơi. Lớp điều khiển truy nhập của WiMAX hỗ trợ điểm - đa điểm và
dịch vụ khắp mọi nơi nhờ khe thời gian lập lịch cho mỗi một trạm thuê
bao. Nếu chỉ có một trạm thuê bao (SS) ở trong mạng, thì trạm cơ sở
WiMAX (BS) sẽ liên lạc với trạm SS đó trên nền tảng điểm - điểm. Một
BS được cấu hình điểm - điểm có thể sử dụng Antenna chùm tia hẹp để
bao phủ khoảng cách xa.
khác.
- Dich vụ đa lớp (Multi-Level Service): Cách thức mà QoS được chuyển
giao là được dựa trên thoả thuận mức dịch vụ giữa nhà cung cấp dịch vụ
và người sử dụng đầu cuối. Thêm nữa, một nhà cung cấp dịch vụ có thể
cung cấp nhiều thoả thuận mức dịch vụ khác nhau đến các thuê bao, thậm
trí tới các người sử dụng khác nhau trên cùng một SS.
- Thao tác giữa các phần (Interoperability): Do công nghệ WiMAX dựa
trên các chuẩn của các nhà sản xuất quốc tế cho nên dễ dàng cho người sử
dụng đầu cuối để truyền tải và sử dụng các SS của họ tại các vị trí khác
nhau hoặc cùng với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau. Thao tác giữa
các phần bảo vệ sự đầu tư ban đầu của nhà cung cấp dịch vụ từ khi lựa
chọn thiết bị từ các nhà sản xuất thiết bị khác nhau, và nó sẽ tiếp tục làm
cho giá của thiết bị giảm đáng kể.
- Khả năng di chuyển đƣợc (Portability): Như các hệ thống di động hiện
hành, một khi trạm SS đã được vận hành, nó tự nhận dạng, quyết định các
đặc tính kết nối với trạm BS, miễn là SS đã được đăng ký trong cơ sở dữ
liệu hệ thống, và sau đó dàn xếp các đặc tính truyền của nó phù hợp.
- Tính chuyển động (Mobility): Tiêu chuẩn IEEE 802.16e sửa đổi đã có
thêm đặc tính hỗ trợ cho di động. Sự cải thiện được cải tạo từ OFDM và
OFDMA lớp vật lý để hỗ trợ thiết bị và dịch vụ trong môi trường di động.
Những cải thiện này bao gồm khả năng co dãn OFDMA và hỗ trợ một số
chức năng cho phép di động với tốc độ 160 Km/h. - 19 -
Luận văn tốt nghiệp cao học Lê Sơn Hà
- 20 -
Luận văn tốt nghiệp cao học Lê Sơn Hà
- Thiết bị thu nhận WiMAX : Thiết bị nhận và Antenna có thể là
những hộp nhỏ, card PCMCIA hoặc chúng có thể được xây dựng
bên trong máy tính tương tự như truy cập Wi-Fi hiện nay.
Một trạm tháp WiMAX có thể kết nối trực tiếp tới Internet sử dụng kết
nối có dây băng thông rộng (Ví dụ như đường T3). Nó cũng có thể được kết nối
tới tháp WiMAX khác sử dụng sóng ngắn truyền trực tiếp: LOS ( Line-of-sight).
Kết nối tới hai tháp (Thường đề cập là backhaul) cùng với khả năng của tháp
đơn bao phủ khoảng 50 km cho phép WiMAX cung cấp bao phủ tới các khu vực
nông thôn xa xôi.
Hình I.6: Mô hình hoạt động của WiMAX
WiMAX có thể cung cấp hai dạng của dịch vụ không dây:
- Không có đường truyền trực tiếp (NLOS), kiểu như dịch vụ Wi-Fi,
nơi mà một Antenna nhỏ trong máy tính của chúng ta kết nối với
tháp. Trong chế độ này, WiMAX sử dụng dải tần số thấp 2 - 11
GHz (Tương tự Wi-Fi ). Truyền với bước sóng thấp không ảnh
hưởng bởi các vật cản trở vật lý. Chúng có thể nhiễu xạ, bẻ cong
xung quanh vật cản trở.
- Có đường truyền trực tiếp (LOS), nơi mà các đĩa Antenna chỉ thẳng
tình huống nhưng khả năng bao phủ của WiMAX rất rộng lớn.
Đặc điểm kỹ thuật của 802.16
- Khoảng cách: Bán kính 50 km từ trạm cơ sở.
- Tốc độ: 70 Mb/s.
- Băng tần số: Từ 2-11GHz và 10-66 GHz (Dải tần cấp phép và
không cấp phép )
- Xác định rõ cả lớp MAC, lớp FHY và cho biết chỉ tiêu kỹ thuật của
nhiều lớp vật lý.
I.3.3 Mô hình ứng dụng WiMAX
Công nghệ WiMAX (Tiêu chuẩn IEEE 802.16) đề xuất 2 mô hình ứng dụng:
- Mô hình ứng dụng cố định - 22 -
Luận văn tốt nghiệp cao học Lê Sơn Hà
- Mô hình ứng dụng di động.
I.3.3.1 Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX)
Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004.
Tiêu chuẩn này gọi là “Không dây cố định” vì thiết bị thông tin làm việc với các
Antenna đặt cố định tại nhà các thuê bao. Antenna đặt trên nóc nhà hoặc trên cột
tháp tương tự như chảo thông tin vệ tinh.
Hình I.7: Mô hình ứng dụng mạng WiMAX cố định
Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN, mạng di động tế bào 3G có thể tạo thành
mạng di động có vùng phủ sóng rộng. Hy vọng các nhà cung cấp viễn thông
hiệp đồng cộng tác để thực hiện được mạng viễn thông số truy nhập không dây
có phạm vi phủ sóng rộng, thỏa mãn được các nhu cầu đa dạng của thuê bao.
Tiêu chuẩn IEEE 802.16e được thông qua cuối năm 2005.
Hình I.8: Mô hình ứng dụng mạng WiMAX di động
I.3.4 Các chuẩn của WiMAX
Về tiêu chuẩn, WiMAX là một bộ tiêu chuẩn dựa trên họ tiêu chuẩn
802.16 của IEEE nhưng hẹp hơn và tập trung vào một số cấu hình nhất định.
Hiện có 2 chuẩn của WiMAX là 802.16-2004 và 802.16e.
Copyright: Tài liệu đại học ©